CN113315420A - 基于转矩补偿控制策略的tbm刀盘驱动多电机同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，涉及多电机同步控制领域，包括以下步骤：步骤一：实时采集各个TBM驱动电机的输出转矩，根据输出转矩计算负载转矩，得到分配到各个电机的所需平均转矩T_avg；步骤二：将平均转矩与输出转矩误差量作为被控对象设计PID控制器；步骤三：将输入参数e(t)、ec(t)模糊化处理；步骤四：基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计；步骤五：将求得参数进行去除模糊化处理；将步骤四得到的模糊规则利用数学表达式进行表示，可得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量ΔK_p、ΔK_i；步骤六：将各回路转矩补偿控制器作用于各个回路速度给定，实现速度同步控制与转矩平衡。

Description

基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法

技术领域

本发明涉及多电机同步控制领域，尤其涉及基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法。

背景技术

随着大功率变频技术的发展，TBM刀盘驱动由传统的液压驱动方式，逐渐由大功率变频器驱动所取代，传统液压驱动传动效率低、而且噪声非常大，而大功率变频器驱动具有传动效率高，节能效果好，输出扭矩大，由于TBM刀盘与各个电机之间刚性连接，电机转速强制同步，因此，TBM刀盘驱动对电机同步性、功率平衡等具有很高的要求，一种有效的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法对于设备的保护，驱动效率的保证都具有十分重要的意义。

针对TBM刀盘传动特点，虽然各个电机与刀盘齿轮是刚性连接，使得各电机之间是强制同步，但是，这种速度同步是被动同步，即各电机虽然速度相同，但扭矩未必相同，如果个别电机速度较快，由于刀盘齿轮啮合的作用，此电机负载将会变大，增加电机发热量，严重时会烧坏电机。因此，在保证刀盘电机速度的同时，调节各个电机的功率平衡对于提高设备工作效率、降低机械故障、节能减排都有非常重要的意义。

传统的TBM刀盘驱动控制主要有并行同步控制、主从控制、耦合同步控制。并行同步控制是最简单的电机同步控制方法，各个电机独立工作互补影响，由于各电机之间不存在耦合关系，各电机间同步误差难于控制，很容易造成刀盘扭矩限制器损坏，影响TBM正常工作。主从控制是将其中一台电机作为主机，除主机外其他电机为从机，从机的给定信号为主机的输出信号，从机跟随主机运行，主机上产生的任何干扰都会对从电机进行影响，因此在负载发生扰动的状态下，很难保证各个电机之间的同步控制精度，所以主从同步控制策略很难应用在控制精度要求高的工况。耦合同步控制方式是将各个电机之间的速度反馈信号进行补偿，并将补偿值作用于速度给定，从而起到电机同步的作用，但是这种耦合控制由于进行速度耦合，并未对其转矩进行耦合很容易出现功率不平衡的情况，而且系统输入信号与参考信号之间可能存在偏差，导致每台电机输出可能也会有偏差，从而导致电机之间不能同步运行。

针对现有的TBM刀盘驱动多电机同步控制稳定性差、输出扭矩不平衡、容易损坏机械结构等特点，为了变频器在TBM上更好的应用，设计一种稳定的、控制性能优越、成本低廉的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法对于提高TBM的可靠性具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提出了基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，包括以下步骤：

步骤一：实时采集各个TBM驱动电机的输出转矩，根据输出转矩计算负载转矩，得到分配到各个电机的所需平均转矩T_avg；

步骤二：将平均转矩与输出转矩误差量作为被控对象设计PID控制器；

步骤三：将输入参数e(t)、ec(t)模糊化处理；

步骤四：基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计；

步骤五：将求得参数进行去除模糊化处理；将步骤四得到的模糊规则利用数学表达式进行表示，可得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量ΔK_p、ΔK_i；

步骤六：将各回路转矩补偿控制器作用于各个回路速度给定，实现速度同步控制与转矩平衡。

进一步地，在驱动刀盘时，PLC向各个回路发送相同的速度指令，通过实时采集每一台驱动电机的输出转矩，并将输出转矩求和计算得出每台电机需要输出的平均转矩T_avg

进一步地，对计算得到的平均转矩T_avg与各个电机的实际输出转矩做差运算，得到各个电机与平均转矩的实时转矩差；将转矩差作为被控对象设计PID控制器；将转矩差量e控制在较小范围内，通过调节K_p、K_i、K_d三个参数，实现系统稳定快速的动态响应，设计简单的PID控制器为：

其中，u(t)为PID控制器输出；e(t)为平均转矩与电机实际输出转矩误差值；K_p为比例系数；T_i为积分时间；T_d为微分时间，本系统需要实时采集平均转矩与各个电机的输出转矩，由于引入微分环节会增加系统的调节时间，为了得到更好的控制效果，取消了积分环节，因此取T_d＝0。

进一步地，模糊控制器的输入量为平均转矩与实际输出转矩误差e(t)以及误差变化率ec(t)，将输入参数e(t)、ec(t)模糊化处理。

进一步地，根据步骤三所得到的隶属度函数，得到系统误差e(t)、误差变化率ec(t)的基本论域，设输出量的基本论域为[-ΔK_pmax,ΔK_pmax]、[-ΔK_imax,ΔK_imax]，应用模糊算法制作模糊查询表，系统运行时根据情况查询模糊查询表，得到对应的模糊控制量。

本发明具有以下有益之处：

1、引入转矩补偿算法，根据负载转矩变化实时调整负载补偿，通过补偿驱动速度给定，在保证刀盘驱动电机同步控制的前提下，保证驱动电机间的转矩平衡，该方案能够有效抑制转矩突变，改善刀盘运行效果。

2、补偿算法采用自适应模糊PID控制算法，原理简单、适应性强、系统鲁棒性强，改善TBM刀盘系统的运行性能。

3、本发明所提供的方法适用于复杂的、时变性的、对于转矩平衡要求高的多电机同步控制调节系统。

4、本发明在不增加使用成本、不改动硬件设计结构的前提下，实现TBM刀盘驱动自适应调节，实现多电机的同步控制以及转矩平衡调节，提高了控制精度，延长刀盘驱动系统的工作寿命和使用效率。

附图说明

图1为TBM刀盘驱动控制系统示意图；

图2为第n回路转矩补偿器工作原理示意图；

图3为转矩补偿策略的多电机同步控制结构示意图；

图4为本发明的误差E模糊数的隶属度；

图5为本发明的误差EC模糊数的隶属度；

图6为本发明的ΔK_p的模糊规则表；

图7为本发明的ΔK_i的模糊规则表。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明适用于TBM刀盘驱动多电机同步控制，图1是本发明中TBM刀盘驱动控制系统示意图。一种TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，以期达到更好的控制效果，为实现上述目的，采用如下技术方案，基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，包括以下步骤：

步骤一：实时采集各个驱动电机的输出转矩，根据输出转矩计算负载转矩，得到分配到各个电机的所需平均转矩T_avg。

在TBM刀盘驱动控制系统中，其控制系统示意图如图1所示，图1中，TBM刀盘驱动系统，通过PLC对各个回路变频器发送启动和速度指令，变频器驱动电机，电机与刀盘之间采用减速机连接，PLC实时采集各个回路的输出信息，如电流、电压、速度、转速等。本发明采用的技术方案为：在驱动刀盘时，PLC向各个回路发送相同的速度指令，通过实时采集每一台的输出转矩，并将输出转矩求和计算得出每台电机需要输出的平均转矩T_avg。

步骤二：将平均转矩与输出转矩误差量作为被控对象设计PID控制器。

为了将负载均衡的分配至每一驱动回路上，将平均转矩与实际输出转矩误差量e控制在较小范围内，通过调节K_p、K_i、K_d三个参数，实现系统稳定快速的动态响应，设计简单的PID控制器为：

其中，u(t)为PID控制器输出；e(t)为负载平均转矩与实际输出转矩误差值；K_p为比例系数；T_i为积分时间；T_d为微分时间。由于引入微分环节会降低系统的抗干扰能力，而且会增大系统的调节时间使得系统响应速度变慢，为了设计更适用于TBM刀盘驱动的补偿系统，再次取消微分环节，只设计模糊PI控制器。

本实施例中，如图2所示，第n回路转矩补偿器流程图包括平均转矩计算、模糊PID控制器设计，进而得出所需补偿的速度值Δω。

由于PLC程序为离散式运行，需要将所设计的PI控制器进行离散式处理，得到：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)

其中，Δu(k)为k时刻的输出控制量；e(k)为k时刻的转矩误差值；K_p、K_i、分别为比例、积分系数。

步骤三：将输入参数e(t)、ec(t)模糊化处理。

模糊控制器的输入量为平均转矩与实际输出转矩误差e(t)以及误差变化率ec(t)，即此系统为双输入单输出的模糊控制器。所述步骤三的系统误差e(t)、误差变化率ec(t)、模糊量E、EC和模糊PI控制器K_p、K_i两个参数的模糊论域为：

E＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}

EC＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}

ΔK_p＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}

ΔK_i＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}

其模糊子集为：

E＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

EC＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

ΔK_p＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

ΔK_i＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

考虑TBM刀盘驱动电机的工作特点，设计三角形隶属度函数，即

NB＝(-3,-3,-2)，NM＝(-3,-2,-1)，NS＝(-2,-1,0)，ZE＝(-1,0,1)，PS＝(0,1,2)，PM＝(1,2,3)，PB＝(2,3,3)其中隶属度如图4、图5所示。

步骤四：基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计。根据步骤三所得到的隶属度函数，得到系统误差e(t)、误差变化率ec(t)的基本论域为：

[-e_max,e_max]，[-ec_max,ec_max]

所述误差、误差变化量因子为：K_e＝2n/e_max，K_ec＝2n/ec_max，其中n的值取3。

所述步骤四的输出量的基本论域为[-ΔK_pmax,ΔK_pmax]、[-ΔK_imax,ΔK_imax]、[-ΔK_dmax,ΔK_dmax]，则输出量的比例因子为：k_p＝n/ΔK_pmax，k_i＝n/ΔK_imax，k_d＝n/ΔK_dmax。应用模糊算法制作模糊查询表，在控制过程中系统根据情况的不同从模糊查询表中查找对应的模糊控制量，经过去模糊化得到目标参数。模糊控制中的每一条模糊条件语句决定一个模糊关系。模糊控制规则如图6、图7所示。

根据图6、图7所述，ΔK_p、ΔK_i调节规则为：

IF(EisNB)AND(ECisNB)THEN(ΔK_pisPB)(ΔK_iisNB)

IF(EisNB)AND(ECisNM)THEN(ΔK_pisPB)(ΔK_iisNB)

根据模糊规则可得到输出量的隶属度为：

u_Δk(s)＝u_e(e)u_ec(ec)其中，e、ec、s分别是输入的e(t)、ec(t)及ΔK_p、ΔK_i的模糊值。

根据图6所述，ΔK_p的调节规则为：

IF(EisNB)AND(ECisPB)THEN(ΔK_pisZE)

根据图7所述，ΔK_i调节规则为：

IF(EisNB)AND(ECisPB)THEN(ΔK_iisZE)

步骤五：将求得参数进行去除模糊化处理。将步骤四得到的模糊规则，利用数学表达式进行表示，可得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量ΔK_p、ΔK_i，其中：

步骤六：将各回路转矩补偿控制器作用于各个回路速度给定，实现速度同步控制与转矩平衡。

依据上述步骤可得到各个回路的速度补偿值，转矩补偿策略的多电机同步控制结构示意图如图3所示，图3中，转矩补偿器的输出与速度给定共同作用于每一变频回路的速度给定，实现速度、转矩双反馈控制，从而实现n个回路电机的速度同步控制与转矩平衡，并通过实验验证可以将转矩平衡控制在±1％以内，速度差控制在±3r/min，完全能够满足TBM刀盘驱动要求。

本方案对TBM刀盘驱动系统进行研究，基于转矩补偿控制策略设计了模糊自适应PID控制补偿算法，并在此基础上作用于刀盘驱动的速度给定，使得系统转矩误差减小，并可根据负载变化实时调整各回路转矩输出，真正实现输出转矩平衡，并提高了系统的响应速度与控制精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：实时采集各个TBM驱动电机的输出转矩，根据输出转矩计算负载转矩，得到分配到各个电机的所需平均转矩T_avg；

步骤二：将平均转矩与输出转矩误差量作为被控对象设计PID控制器；

步骤三：将输入参数e(t)、ec(t)模糊化处理；

步骤四：基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计；

步骤五：将求得参数进行去除模糊化处理；将步骤四得到的模糊规则利用数学表达式进行表示，可得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量ΔK_p、ΔK_i；

步骤六：将各回路转矩补偿控制器作用于各个回路速度给定，实现速度同步控制与转矩平衡。

2.根据权利要求1所述的基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，其特征在于，在驱动刀盘时，PLC向各个回路发送相同的速度指令，通过实时采集每一台驱动电机的输出转矩，并将输出转矩求和计算得出每台电机需要输出的平均转矩T_avg。

3.根据权利要求1所述的基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，其特征在于，对计算得到的平均转矩T_avg与各个电机的实际输出转矩做差运算，得到各个电机与平均转矩的实时转矩差；将转矩差作为被控对象设计PID控制器；将转矩差量e控制在较小范围内，通过调节K_p、K_i、K_d三个参数，实现系统稳定快速的动态响应，设计简单的PID控制器为：

其中，u(t)为PID控制器输出；e(t)为平均转矩与电机实际输出转矩误差值；K_p为比例系数；T_i为积分时间；T_d为微分时间，本系统需要实时采集平均转矩与各个电机的输出转矩，由于引入微分环节会增加系统的调节时间，为了得到更好的控制效果，取消了积分环节，因此取T_d＝0。

4.根据权利要求1所述的基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，其特征在于，模糊控制器的输入量为平均转矩与实际输出转矩误差e(t)以及误差变化率ec(t)，将输入参数e(t)、ec(t)模糊化处理。

5.根据权利要求1所述的基于转矩补偿控制策略的TBM刀盘驱动多电机同步控制方法，其特征在于，根据步骤三所得到的隶属度函数，得到系统误差e(t)、误差变化率ec(t)的基本论域，设输出量的基本论域为[-ΔK_pmax,ΔK_pmax]、[-ΔK_imax,ΔK_imax]，应用模糊算法制作模糊查询表，系统运行时根据情况查询模糊查询表，得到对应的模糊控制量。

Images